!! Compte(rendu!de!l atelier! «!Quels!débouchés!scientifiques!pour!les!nanosatellites!?!»! Meudon25*26novembre2013 http://nanosats.sciencesconf.org L atelier«"quels"débouchés"scientifiques"pour"les"nanosatellites"?"»aréunipendant2jours environ70chercheursetingénieursmajoritairementissusdelacommunautéfrançaisedes sciencesdel univers.cetatelieravaitpourobjectifd explorerlepotentieldesnanosatellites pourlessciencesdel univers,enabordantlesdébouchéstechnologiquesetscientifiques, maisaussiéducatifs.ils inscrivaitdanslecadredelapréparationduséminairede prospectiveducnes(17*20mars2014). Lecadregénéraldel atelierétaitceluidesnanosatellites,maisleséchangessesontfocalisés surleconceptcubesat,dontlagénéricitéalargementcontribuéàl essordesnanosatellites. Cetatelieràrévéléuneforteeffervescencedansledomainedesnanosatellites,pour lesquelslesidéesd applicationsàvocationtechnologiqueetscientifiquedominent aujourd huilargementsurlesdébouchéspurementéducatifs.aprèsdesdébutshésitantset destauxd échecsimportants,onassisteaujourd huiàl émergenced unevéritablefilière. Decetateliersontissuesplusieursquestionsetrecommandations,quifigurentàlafindece document.danscequisuit,nousmettonsenexerguelesprincipauxpointssoulevéslorsde l atelier,sansrefaireundescriptifexhaustifdesnanosatellites. Les!avantages!et!les!contraintes!des!nanosatellites! Lesuccèsdesnanosatellites(plusexactement,desCubeSats)tientessentiellementàleur standardisation,ainsiqu`àplusieursavantages: Lefaiblecoûtcomparéàunemissionspatialeclassique(lancement,composants, etc.)etuntempsdedéveloppementpluscourt. Lerecoursàdescomposantsducommerce(cellulesphotovoltaïques,capteurs magnétiques,accéléromètres,etc.)sansqualificationspatialeparticulière.les
industrielsproduisantcescomposantssontparailleurssouventintéressésparle retourd expériencedecestestsdespatialisation. Formation:laparticipationàunprojetnanosatelliteesttrèsformatriceetmotivant. Lesétudiantssontparticulièrementbieninitiésauxaspectssystème,àlagestionde projet,etàl instrumentationspatiale. L existenced unetechnologieinternationalesurdeséléments clefenmain (contrôled attitude,senseursolaireoustellaire,communicationàbord,etc.). Toutefois,lesfaiblesdimensionsdesnanosatellitesenlimitentlechampd applications: Leparamètrelepluscontraignantestlafaibletaille.Celle*ciestnormalisée,chaque unitéfaisant10x10x10cm 3,pourunpoidsdel ordredukgetunepuissance maximaled environ1wquandseuleslesfacesducubesontcouvertesdecellules photovoltaïques. Laduréedevieestgénéralementlimitéeàquelquesmois,cequiprédisposeles nanosatellitesauxétudesévénementielles,audétrimentdesmesuresàlongcours. Latenueauxradiationsestfaible,enraisondelafaibleépaisseurdesparois. Enl absencedelanceursdédiés,laplupartdesnanosatellitessontaujourd hui tributairesducalendrieretdel orbitedelamissiondontilssontlepassager. Lesnanosatellitesconviennentsurtoutauxorbitesbasses(<700km)enraisondela LoirelativeauxOpérationsSpatiales(LOS),quiexigeunesolutiondedésorbitationen casdetempsdeviesupérieurà25ans. Lecontrôlethermiquepeuts avérerdélicatàcausedelafaibleinertiedusatellite. Pourlamêmeraison,certainesforcesnégligeablessurlesgrandssatellites,comme cellesgénéréesparlescourantsdefoucault,peuventaffecterlacapacitédepointage. Lecontrôled attitudepeutrapidementdevenirunenjeumajeurpourunobjetdesi petitetaille. Lacommunication:pourdesnanosatellitesquinesontpasenorbitebasse,la communicationauseind unessaim,avecunvaisseau*mèreouaveclesolest contrainteparlafaiblepuissancedisponible.beaucoupdeprojetsrecourent aujourd huiàlabandeuhf/vhfetauxradioamateurs(grâceauxquelslacouverture mondialeestexcellente).aterme,desbandesàplushautdébit(mais congestionnées)serontnécessaires(bandessetx). Les!différents!débouchés!des!nanosatellites!! L atelierapermisd identifierplusieurstypesdedébouchésdesnanosatellites,enplusdes projetsàvocationpédagogique. 1.!Projets!pédagogiques! Ledomained applicationleplusvisibleresteceluidesprojetspourétudiants,mêmesicette catégorieestaujourd huiéclipséeparlesapplicationsàvocationtechnologique.lesavoir*
fairerestelargementconcentrédanslesuniversitésetprèsdelamoitiédesprojetsexistants affichentunobjectifpédagogiqueenpremièreouensecondepriorité.l expériencemontre quesilapremièregénérationdesatellitesn apasforcémentd objectifaffichéhormisla formation,enrevanche,lesgénérationssuivantessontdavantageconçuesenfonction d objectifsscientifiquesprécis. 2.!Démonstrateurs! Plusdelamoitiédesprojetsvisentladémonstrationcommepremierobjectif.Les applicationsvontdelavalidationdeconceptsexistants(avecaméliorationdutrl)àla démonstrationdeconceptsnouveaux.l avantagedunanosatelliterésideicidanssonaccès rapideetbonmarchéàl espace.cesdébouchésconviennentdavantageauxsystèmes qu auxcomposantsindividuels;ilsserventplussouventàvalideretnesauraientremplacer unvéritableprocessusdequalification.leretourd expériencemontrequ iln estpas souhaitabledetesterplusd unsystèmeàlafoissurunmêmenanosatellite. Lesnanosatellitessontparticulièrementenphaseaveclesbesoinscroissantsen miniaturisationetnécessitentparfoisderepenserentièrementleconceptinstrumentalpour lerendrecompatibleaveclescontraintesdetaille,demasse,etc.plusieursacteursont soulignél importancedecechangementdeparadigme,danslequelilfautoserrepenser l instrumentetoserlesauttechnologique. Touteslescatégoriesdesystèmessontconcernées:capteursoptiquesdanstoutesles bandesduspectreélectromagnétique(projetsserb,μbos,circus),détecteursde particules(robusta,igosat),modesdepropulsion(propulsionélectrique,ouàgazneutre), systèmesdecontrôled attitude,etc. 3.!Applications!scientifiques! Moinsd uncinquièmedesnanosatellitesaffichentaujourd huilasciencecommeobjectif prioritaire.cependant,cettecatégoriesedéveloppetrèsrapidement.lefaiblecoûtdes nanosatelliteslesprédisposeàdesmissionsparticulières: Les!missions!ciblées,pourlesquellesiln estpassouhaitabled engagerunegrosse chargeutile.lenanosatellitepermetparexempled étudieràmoindrecoûtdes phénomènesphysiquesspécifiques,commel airglow(swisscube),latransmission d unsignalradarémisdepuislesol(rax)ouencoreengrangerdesdonnées observationnellesdanslemilieuinterplanétaire(marsflyby). Les!missions!à!caractère!préparatoire(«"pathfinder"»)enguisedepetit démonstrateurpourdesmissionsdeplusgrandeampleur.lenanosatellitepermet parexemplededimensionnerdesmesuresoptiquesavantd engagerunplusgros projet(first*s).lebénéficerésideicidanslaréductiondelaprisederisquesurdes futursprojets. Le!vol!en!réseau!ou!en!constellation!avec!des!mesures!distribuées,donnantaccèsà unecouverturespatialeinégalée.ils agitgénéralementdemesuresinsitu(qb50), quoiquelesmesuresoptiquessontennetteaugmentation.unautreatoutde l essaimestsarésilience,puisquelapertedecertainssatellitesn affectepasles
objectifsglobauxdelamission.cesvolsenréseauouenconstellationprédisposent évidemmentlesnanosatellitesàl étudedusystèmethermosphère/ionosphère; l arméedel airaméricaineesttrèsinvestiesurcecréneau.undesgrosdéfisestla communicationentrenanosatellitesetlesol,ainsiquelagestiondesinteractions entrenanosatellites. Les!missions!vers!des!horizons!qui!sont!hors!de!portée!pour!les!autres!projets,!et! avec!une!prise!de!risque!importante.paranalogieaveclesdronesenaviation,le nanosatellitepeutserviràexplorerdesrégionsdangereuses,voireaccomplirdes missions*suicide.celacomprendnotammentlarentréeatmosphériquepourfairedes sondagesd atmosphèresplanétaires(projetexcsite).ils agiticideprojetsdetype «"low"cost"for"high"risk"». Cesdifférentesapplicationsconcernentsurtoutl étudein*situdel environnementterrestre, maisilexisteaussidesprojetsenphysiquedel atmosphèreetobservationdelaterre,ainsi quepourlaplanétologieetl astrophysique. 4.!Formation!permanente!du!personnel! Unatoutnonnégligeabledesnanosatellitesestlaflexibilitéducalendrier,cequifavorise leurinsertiondanslesplansdechargesouventtrèsremplisdeslaboratoires.unedimension importante,etpourtantrarementévoquée,estl implicationfortedeséquipestechniques dansdesprojetsqu ilsjugentmotivants,etquileurpermettentdemaintenirunminimum d activitédeformation. 5.!Autres!applications!(militaires,!commerciales)! AuxEtats*Unis,ladéfenseestlepremierorganismefinanceurainsiqu unimportant utilisateurdenanosatellites.eneurope,enrevanche,lesfinancementsainsiqueles applicationsconcernentexclusivementlesecteurcivil. Lesapplicationscommercialesetlesfinancementsprivéssontencorerares,maisàtermeun marchédevraitsedévelopperautourdenouvellesapplications.lesprincipauxconstructeurs desatellitessuiventdeprèsl essordescubesats. Aujourd hui,leseulréelmarchéestceluidelafournituredekitsclés*en*mainpourles modulesdecommunicationradio,decontrôled attitude,etc.toutefois,trèspeu d utilisateursyontrecoursetceskitssouffrentd unmanquedestandardisationainsique d unserviceaprès*ventequasimentinexistant.
Retour!d expérience! L atelierasoulevéundéficitenretourd expérience,etunedemandefortepourmieux connaîtreleserreursinhérentesàcegenredeprojetnouveau.parmilespointssoulevés, signalons:! Lagestiondesressourceshumainesestcomplexeetnécessiteunorganigramme précis.cesdifficultéssontaccentuéesparleroulementimportantdesétudiants (lorsqu ilyena)etlesproblèmesdetransmissionsdecompétencequiendécoulent. Touslesacteursinsistentfortementsurlebesoinimpératifdenepasfaire l économiedesnombreuxtests(ait,aiv,etc.)etrevuesdeprojet.laplupartdes échecssontdusaunon*respectdestestsdanslesphasesfinalesderéalisation. Cependant,prèsdelamoitiédeséchecssubisjusqu icipardescubesatssont attribuablesaulanceuretnonausatellite. Lesconfigurationsen1U(unseulcube)et2U(2cubes)s avèrentsouventtrop contraignantespouraccueillirunechargeutileenplusdetouslessystèmesdela partieplateforme(contrôled attitude,batterie,etc.).enrevanche,ellessontbien adaptéespourdespremièresréalisations.laconfiguration3uestrecommandée pourdesmissionsnécessitantunbesoindecontrôled attitudeassezprécisetdes ressourcesenmasseetpuissancepourlesinstrumentsdel ordred 1kg/2W. Laréalisationd unprojetdetypenanosatelliteconvientbienàunréseaude laboratoires,cequipermetderépartirlesefforts.detelsprojetsseprêtentaussià descollaborationsinternationales. Applications!pour!la!science/technologie!:!bilan! L atelieramontréquelesnanosatellitesontderéelsatoutsparrapportauxprojets scientifiquesdeplusgrandetaille,àconditionde: RecouriràdesCubeSats,dontlastandardisationestunavantagemajeur. Viserdesdébouchéscompatiblesavecleurscaractéristiques,etnepaschercherà reproduireenpluspetitcequiestréalisableparailleurs.ilestdoncimportantde repenserlascienceetd oserdessautsconceptuelsoutechnologiques. Tenircomptedesnombreusescontraintes,dontlatailleréduite,quiexclutdefacto certainstypesd instruments(optiqueàtrèshauterésolution,etc.).enrevanche,la prisederisqueplusélevéepermetdes affranchirdecertainesrègles,tellesquela redondance. Nepassous*estimerl investissementnécessairepourréaliserunetellemissionet surtoutledéfiorganisationnelquecelareprésentesidesétudiantsysontassociés.le
coûtréeldunprojetcubesatestencoredifficileàévaluerbienqu ilsoittrèsinférieur àceluidunsatelliteclassique.lecoûtdedéveloppement(chargeutile,segmentsol, essais,lancement)dunprojetvarietypiquementde250keuropourune configuration1u,à1meuropouruneconfiguration3u.lachargereprésente5*7etp sur3*4ans.ceschiffressontcependantpeureprésentatifsdeprojetsscientifiques outechniques,carilsémanentdeprojetspourétudiants,faitsdeséquipesavecpeu dexpériencepréalabledanslespatial. Nepointsacrifierlesétapesdevalidation,enrespectantlamêmephilosophieque pourdesprojetsclassiques:lassuranceproduitetl assurancequalitédoiventêtre éventuellementallégéesmaisrestentaucœurdecesprojets. Quelles!pistes!pour!la!communauté!française!?! LeprogrammeJANUSduCNESaeulemérited initierplusieursuniversitésetlaboratoires françaisauxprojetscubesatpourétudiants.pourlesapplicationsscientifiqueset technologies,toutestàcréer.lesdébatsorganiséslorsdel atelierontsoulevéàcesujetde nombreusesquestionsmaisontaussiexprimédesbesoinsprécis: D abordunecertitude:lescubesatsnesontplusseulementréservésauxprojets éducatifsmaisoffrentderéelsdébouchésscientifiquesettechnologiques,à conditiondebienviserdesprojetspertinentspourlesquelsilspeuventapporterune plus*value. Detelsprojetsnepeuventsesubstituerauxprojetséducatifs:lesdeuxsont complémentairesetvisentdesobjectifsdifférents,mêmes ilestpossibled associer desétudiantsàdesprojetsàdominantescientifiqueoutechnologique,et inversement. Faceàl effervescenceactuelle,ilexisteunbesoinpourcanaliserlesdiverses initiatives.lecnespeuticijouerlerôled animateurenaidantlacommunautéà mettreenplaceunefeuillederoutepourlesannéesàvenir. S ilexisteunprogrammebienidentifiépourlefinancementdesprojetséducatifs(le programmejanus),enrevanche,iln yapasdeguichetdédiépourlesautresprojets. Lasituationestpluscomplexeencorepourlesmontagesinternationaux.Ilserait souhaitablequecnescommenceparlancerunappelàidéessurlesréalisations possibles,ens adressantàlafoisauxcommunautésd observationdelaterre,etdes sciencesdel Univers.Cetappelàidéesauraitpourbutderecenserlesbesoinsdela communauté(auniveausystèmeetinstrumental)etlesverroustechnologiquesà ouvrirpourparveniràunegénérationdecubesatsscientifiquementperformants. Pourcela,l appelàidéespourraêtreorientéautourdeprojetsscientifiquestrès innovants,accompagnésd unefeuillederoutedanslesquellesserontbienidentifiés lesverroustechnologiques.lalistedesverrousainsidégagéepourraitêtrealors proposéepourlesfutursprojetsétudiants.
Pourleséminairedeprospective,noussouhaitonsqu unetablerondesoitorganisée surlaplacedescubesatsdansleprogrammespatialfrançais. Ilexisteunbesoinclairementidentifiépourdessystèmesnormalisés(parexemplele contrôled attitude,lacommunicationàbord,lapropretéélectromagnétique,la propulsion,etc.).lecnespourraiticiaideràidentifierlessystèmesàdévelopperet encouragerdesactionsder&tsurlesélémentslesplusstratégiques. Pourconclure,lemontageidéald unprojetcubesatestreprésentéparletriptyque ci*dessous.selonletypedesujet(technologique,scientifiqueouéducatif),l accent seraplusfortementmissurundestroispôles,maisilestimportantquelestrois soientprésentsdansleprojet. " Lesdeuxpagesquisuiventoffrentunrecensementnonexhaustifdesapplicationsdes CubeSats,compiléparB.Segretlorsdel atelier. " " " Cet"atelier"a"bénéficié"du"soutien"du"CIAS"(Centre"International"d Ateliers"Scientifiques),"du"LABEX"ESEP" (Environnements"Spatiaux"et"Planétaires),"et"du"CNES."Son"comité"d organisation"était"constitué"de":"baptiste" Cecconi"(LESIA,"Meudon),"Pierre"Drossart"(LESIA,"Meudon),"Thierry"Dudok"de"Wit"(LPC2E,"Orléans),"Alain" Gaboriaud"(CNES,"Toulouse),"JeanWPierre"Lebreton"(LESIA,"Meudon"&"LPC2E,"Orléans),"Boris"Segret"(LESIA," Meudon)." 13"Décembre"2013"
Applications Scientifiques / Pédagogiques parmi toutes les applications scientifiques présentées à latelier, il est apparu nécessaire de distinguer celles à finalité scientifique (avec ou sans étudiants) et celles à vocation première pédagogique. => une classification de ces projets sera proposée suite à latelier. Météorologie de lespace (Obs.Terre, LEO) Mesure bruit thermique Mesure radar sur ionosphere Activité solaire (EMC / Solar Flares) Budget de radiations Terre Atmosphère terrestre / LEO Aérosols Photométrie bande O2 (64nm/CMOS, 760nm) Tropospheric CO2 total column Échappement atmo. (planéto. Comparée) Autres applications en observation de laterre Gravimétrie Terre Météorologie (épisodes cévenols via navires) Hors observation de la Terre, depuis LEO : Planétologie radio (depuis Terre, LEO) Exoplanétologie (par constella ou interféro.) Photo-Polarimétrie zodiacale Cosmologie par radio < 10MHz Soleil en IR lointain & interféro Irradiance solaire Plasma Terre (LEO/MEO) Ionosph., e-, γ / SAA & Cornets (MEO) Thermosphère Terre (LEO) Comptage e-, H+ relativistes (LEO) Caractérisa radio régions aurorales (LEO) Anomalie Magnétique (LEO) Sciences au-delà de la LEO : Magnétométrie (Lune) Structure interne Lune Planétologie in situ : premiers concepts / explora planétaire : surface & regolith petits corps (imagerie UV/IR), impacteurs Plasma & Hautes énergies : SEP / GCR hors influence Terre 26-nov-2013 Quels débouchés pour les nanosatellites?, Observatoire de Paris - Meudon 25-26/11/2013 p.1
Applications Technologiques / Pédagogiques parmi toutes les applications technologiques présentées à latelier, il est apparu nécessaire de distinguer celles à finalité technologique (avec ou sans étudiants) et celles à vocation première pédagogique. => une classification de ces projets sera proposée suite à latelier. De plus, les applications ci-dessous sont de deux types : - "pour Nanosats" : sous-systèmes développés afin de faciliter les projets CubeSats / Nanosats - "orientées TRL" : démonstration de technologies nouvelles (non spécifiques aux nanosats) Applications "pour Nanosats" Applications "orientées TRL" Instrumentation répartie, essaims / formations Éléments COTS spatialisés Télécomm. & GNSS inter-cubsats Plateformes 3U, 6U, 12U... Contexte de missions interplanétaires : Télécomm. directe (jusquà 1.5MKm) Navigation (positionnement & correction) Propulsion électrique, voile solaire Antennes Grand Gain (deployable) Modularisation des sous-systèmes CubeSats µ-processeur Contrôle dattitude, Avionique "plug & play" Contrôle dorbite (désorb., réhausse, correc ) Contrôle du potentiel électrique Systèmes support Stations sol Méthodes de tests "cubesat" (plug & test) Capteurs / Composants: Exposi aux radiations (environn. spatial) Composants en hyperfréquence optique Capteurs bolométriques Micro-mécanismes Systèmes: Rentrée atmosphérique, ét. limites atmo Spectro.de masse par laser dans un gaz Radio-réception numérique Ion-Neutral Mass Spectrometer Ionisation de particules Corner Cube Retro-reflectors miniatures Interférométrie multipupilles (HRA) Hypertélescope Navigation autonome Pre-processing (analyse à bord, data volume) 26-nov-2013 Quels débouchés pour les nanosatellites?, Observatoire de Paris - Meudon 25-26/11/2013 p.2